BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI VƯƠNG VĂN SƠN XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN KHÍ THẢI PHÁT TÁN VÀO MƠI TRƯỜNG CỦA ĐỘNG CƠ Ô TÔ SỬ DỤNG LƯỠNG NHIÊN LIỆU DIESEL-LPG Chuyên ngành: Kỹ thuật tơ máy kéo Mã số: 62.52.35.01 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2014 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Cao Trọng Hiền PGS.TS Đào Mạnh Hùng Phản biện 1: GS.TSKH Phạm Văn Lang Phản biện 2: PGS.TS Lại Văn Định Phản biện 3: PGS.TS Trần Văn Nam Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc gia Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Khí thải từ tơ sử dụng nhiên liệu diesel sinh tác nhân gây nhiễm mơi trường khơng khí, đặc biệt khu đô thị Trong phương án nghiên cứu giảm phát thải chất độc hại động diesel phương án sử dụng động lưỡng nhiên liệu diesel-LPG hướng nghiên cứu nhà khoa học quan tâm Nhiều nước tiên tiến giới đầu tư tài chính, cơng sức cho nghiên cứu Biện pháp áp dụng giải hai vấn đề bảo vệ mơi trường khơng khí tận dụng nguồn nhiên liệu có sẵn nhiều nơi giới nhiên liệu hóa thạch dần có nguy cạn kiệt Ở Việt Nam ứng dụng LPG cho động đốt quan tâm nghiên cứu ngày nhiều, chưa chuyên sâu Các kết nghiên cứu dừng mức cho động chạy nhiên liệu LPG chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, q trình cháy, hình thành chất nhiễm Với thực trạng trên, việc nghiên cứu tính tốn xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường động ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trở nên cấp thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Mục đích nghiên cứu - Xác định hàm lượng thành phần khí thải lắp thêm cung cấp khí hóa lỏng (LPG) vào động diesel - Đánh giá hiệu giảm phát thải động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG lắp ô tô cỡ nhỏ trung bình * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khí thải đối tượng chọn sở giữ nguyên tiêu kỹ thuật (công suất mô men) động diesel nguyên thủy Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm * Về lý thuyết: Sử dụng lý thuyết trình trao đổi nhiệt trao đổi chất động đốt trong, sử dụng phần mềm AVL-BOOST để mơ q trình làm việc động tính tốn hàm lượng phát thải * Về thực nghiệm: Thí nghiệm băng thử đại theo chu trình ECE Cục Đăng kiểm Việt Nam để xác định hàm lượng thành phần khí thải độc hại, sở hiệu chỉnh kết tính tốn lý thuyết Ý nghĩa khoa học thực tiễn * Ý nghĩa khoa học: Luận án xây dựng mơ hình mơ để đánh giá lượng phát thải động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Các kết tính tốn so sánh kiểm chứng thực nghiệm hệ thống trang thiết bị thử nghiệm đại, đạt tiêu chuẩn Quốc tế * Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án sở để đánh giá hiệu môi trường lượng động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Chương I TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan ô nhiễm môi trường phát thải ô tô 1.1.1 Sự phát triển phương tiện giao thông Việt Nam Trong năm qua với tốc độ tăng trưởng kinh tế, nhu cầu lại vận chuyển hàng hóa Việt Nam tăng nhanh Điều dẫn tới số lượng phương tiện vận tải đặc biệt loại sử dụng nhiên liệu diesel ngày gia tăng Sô lương phương tiên tăng nhanh h tầng giao ́ ̣ ̣ thông không phát triển kịp tạo sức ép cang lơn đôi vơi môi trương ̀ ̀ ́ ́ ́ ̀ đặc biệt thị 1.1.2 Tình hình nhiễm môi trường phát thải ô tô Việt Nam Số lương phương tiên tăng nhanh h tầng giao thông ̣ ̣ không phát triển kịp gây tình trạng ùn tắc giao thành phố lớn Trong lại chưa có biện pháp kiểm sốt hữu hiệu để giảm phát thải dẫn đến đến tình trạng nhiễm khơng khí các thành phố lớn, đặc biệt Hà Nội thành phố Hồ Chí Minh mức báo động 1.2 Tình hình sản xuất sử dụng LPG 1.2.1 Tình hình sản xuất LPG 1.2.1.1 Tình hình sản xuất LPG giới Tổng nguồn cung LPG giới năm 2000 đạt mức 198 triệu năm 2008 đạt 239 triệu Tốc độ tăng trưởng nguồn cung LPG giới tăng khoảng 2.4% / năm giai đoạn 2000-2008 Năm 2013 nguồn cung giới đạt 260 triệu dự báo năm 2015 đạt 291,7 triệu 1.2.1.1 Tình hình sản xuất LPG Việt Nam Việt Nam có trữ lượng khoảng 3000 tỷ m3 khí tập trung chủ yếu thềm lục địa nước ta Năm 2009 Nhà máy chế biến khí Dinh Cố bắt đầu sản xuất LPG (sản lượng khoảng 29.000 tấn/tháng) phục vụ cho công nghiệp dân dụng Từ qúy II năm 2009, nhà máy lọc dầu Dung Quất thức vào hoạt động, cho sản phẩm LPG, đáp ứng nhu cầu sử dụng LPG nước 1.2.2 Tình hình sử dụng LPG Trên giới: Việc sử dụng LPG giới tập trung vào bốn lĩnh vực, tiêu dùng dân dụng có khối lượng sử dụng lớn chiếm gần 50%, lĩnh vực hoá chất chiếm 24%, sử dụng LPG công nghiệp đứng thứ ba với tổng mức tiêu thụ chiếm khoảng 13%, vận tải đứng thứ với tổng lượng tiêu thụ hàng năm chiếm 8,8% Ở Việt Nam: Nhu cầu sử dụng LPG Việt Nam năm gần gia tăng cách nhanh chóng Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG nước khoảng 1,5 triệu năm 2020 đạt triệu Tuy nhiên nước ta, LPG chủ yếu sử dụng làm chất đốt, việc sử dụng LPG cho phương tiện giao thông vận tải chưa đáng kể 1.3 Các nghiên cứu nước khí thải động diesel động diesel - LPG 1.3.1 Các kết nghiên cứu giới Trên giới có nhiều cơng trình nghiên cứu lĩnh vực này, điển hình như: Cơng trình BEROUN MARTINS, Z.H Zhang, C.S Cheung, T.L Chan C.D Yao, Bogdan Cornel BENEA Adrian Ovidiu SOICA, Dong Jian, Gao Xiaohong, Li Gesheng Zhang Xintang, Thomas Renald C.Ja Somasundaram P, M P Poonia Tuy nhiên cơng trình tập trung chủ yếu vào loại động lắp ô tô khách, ô tô tải trọng lớn, ô tô chuyên dùng Các nghiên cứu sử dụng động diesel-LPG lắp ô tô cỡ nhỏ hạn chế 1.3.2 Các kết nghiên cứu nước Ở nước có số cơng trình nghiên cứu động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG như: Cơng trình Bùi Văn Ga, Phạm Minh Tuấn, Lê Anh Tuấn, Phạm Hữu Tuyến, Mai Sơn Hải, Trần Thanh Hải Tùng, Lê Minh Xuân, Vũ An Các kết bước đầu cho thấy tác dụng giảm thiểu lượng khí thải độc hại gây nhiễm môi trường ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG, đặc biệt khả giảm phát thải PM số động Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu hồn thiện động diesel-LPG lắp ô tô cỡ nhỏ 1.4 Kết luận chương I Trong phương án nghiên cứu giảm phát thải chất độc hại động diesel phương án sử dụng động lưỡng nhiên liệu diesel-LPG hướng nghiên cứu nhà khoa học quan tâm Nhiều nước tiên tiến giới đầu tư tài chính, cơng sức cho nghiên cứu Ở Việt Nam ứng dụng LPG cho động đốt quan tâm nghiên cứu ngày nhiều, chưa chuyên sâu Các kết nghiên cứu dừng mức cho động chạy nhiên liệu LPG chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, trình cháy, hình thành chất nhiễm Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐƠNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG ̣ 2.1 Chọn phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Căn vào ưu nhược điểm phương án hòa trộn lưỡng nhiên liệu diesel - LPG để phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, đề tài chọn phương án phun LPG vào đường ống nạp động để khảo sát tính tốn thực nghiệm Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG vào động diesel trình bày hình 2.4 5 10 11 12 13 14 17 11 15 16 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí hệ thống cung cấp LPG hệ thống nhiên liệu động diesel tăng áp Bầu lọc khí; Bộ làm mát khí nạp; Ống xả; Bơm cao áp; Bầu lọc thô; Turbo tăng áp; Vịi phun; Đường ống lấy tín hiệu áp suất nạp; Đường ống dẫn LPG hóa hơi; 10 Bơm tiếp nhiên liệu; 11 Van điều chỉnh lưu lượng LPG; 12 Bầu lọc tinh; 13 Bình chứa LPG; 14 Đường ống dẫn LPG; 15 Két làm mát động cơ; 16 Thùng nhiên liệu diesel; 17 Bộ giảm áp hóa 2.2 Cơ sở lý thuyết động diesel động diesel - LPG 2.2.1 Quá trình chay đơng diesel ́ ̣ Q trình cháy động diesel chia thành giai đoạn gồm: Cháy trễ, cháy nhanh, cháy (cháy chậm) cháy rớt 2.2.2 Quá trình cháy động lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Quá trình cháy động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel -LPG phức tạp kết hợp tượng cháy động xăng động diesel Ngoài giai đoạn cháy trễ cháy rớt giống trường hợp đơn nhiên liệu diesel, q trình cháy chia thành giai đoạn - Giai đoạn 1: Giai đoạn cháy nhanh với nhiên liệu diesel phần nhỏ nhiên liệu khí - Giai đoạn 2: Giai đoạn cháy nhanh với phần lớn nhiên liệu LPG phần nhiên liệu diesel - Giai đoạn 3: Giai đoạn cháy khuếch tán diesel khí lại Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) 275 225 100% diesel 175 125 75 25 -25 Tốc độ tỏa nhiệt (J/CA) 275 225 175 75,9 % diesel + 24,1 % LPG 125 75 25 -25 340 360 380 400 Góc quay trục khuỷu (độ) 420 Hình 2.8 Quá trình tỏa nhiệt động diesel- LPG 2.2.3 Cơ sở mơ hình hóa trình hình thành hỗn hợp chay ́ đông lưỡng nhiên liệu Diesel - LPG ̣ Cơ sở mơ hình hóa q trình hình thành hỗn nhợp cháy dựa quy luật: - Phương trình nhiệt động học thứ - Mơ hình hỗn hợp môi chất mô tả thành phần hình thành lên hỗn hợp gồm nhiên liệu diesel, LPG (C3H8, C4H10), O2, N2, CO2, H2O, CO, H2 - Mô hình truyền nhiệt tính theo cơng thức Woschni 1978 - Sử dụng mơ hình cháy Vibe vùng, phản ứng chuỗi Zeldovich với hệ số tốc độ để tính tốn lượng NOx, phản ứng theo A Onorati để tính tốn CO, mơ hình Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng khí thải động diesel động diesel – LPG 2.3 Các thành phần khí thải Sản phẩm độc hại trình cháy động diesel diesel LPG bao gồm chất sau: HC, NOX, SO2, bụi hạt (PM) 2.4 Cơ sơ tí nh toan cac phân phat thai đông diesel ̉ ́ ́ ̀ ̀ ́ ̉ ̣ động diesel - LPG 2.4.1 Tính tốn phát thải NOX Sự hình thành NOx tính tốn dựa thơng số tốc độ động cơ, thành phần nhiên liệu, áp suất, nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí λ, thể tích khối lượng, thời gian cháy số vùng cháy 2.4.2 Tính tốn phát thải CO CO sản phẩm cháy thiếu O2, chủ yếu sinh từ q trình cháy khơng hồn tồn Vì CO tính tốn dựa phản ứng theo A Onorati: CO + OH ↔ CO2 + H; CO2 + O ↔ CO + O2 2.4.3 Tính tốn phát thải HC Đối với động diesel, thành phần HC sinh q trình làm việc khơng đáng kể, cơng trình nghiên cứu khí thải động diesel khơng đề cập đến tính tốn thành phần khí thải 2.4.4 Tính tốn phát thải bồ hóng (Soot) Phát thải Soot tính tốn theo mơ hình Hiroyasu Trong mơ hình này, thay đổi khối lượng soot qua công thức: dms dms,f dms,ox   dt dt dt (2.36) 2.5 Kết luận chương II Trong phương án sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG, phương án phun LPG vào đường ống nạp động diesel nguyên thủy chọn làm phương án nghiên cứu Phương án có nhiều ưu điểm kết cấu gọn nhẹ, lắp đặt đơn giản, cải tạo động diesel ngun Đề tài sử dụng mơ hình cháy Vibe vùng, phản ứng chuỗi Zeldovich với hệ số tốc độ để tính tốn lượng NOx, phản ứng theo A Onorati để tính tốn CO, mơ hình Hiroyasu để tính phát thải bồ hóng khí thải động diesel động diesel – LPG Chương III XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG 3.1 Phần mềm AVL BOOST Căn vào mục tiêu nội dung nghiên cứu, đề tài chọn phương pháp tính tốn phát thải động diesel phần mềm mô Với tính cơng cụ sẵn có, AVL-BOOST xây dựng mơ hình tính tốn thành phần phát thải động 3.2 Ứng dụng phần mềm AVL-BOOST tính tốn thành phần khí thải động FAWDE - 4DX23 3.2.1 Các thông số động FAWDE- 4DX23 Động FAWDE- 4DX23-110 động diesel tăng áp sản xuất Trung Quốc Loại động sử dụng ô tô khách ô tô tải cỡ nhỏ trung bình Cơng suất định mức 2800v/ph 81 KW, mô men max 1800 v/ph 320 Nm 3.2.2 Nhiên liệu diesel LPG 3.2.2.1 Nhiên liệu diesel Thành phần hóa học chủ yếu nhiên liệu diesel hợp chất hydrocacbon, công thức chung CnH2n+2 3.2.2.2 Khí hóa lỏng ( LPG) Thành phần hóa học chủ yếu LPG hydrocarbon dạng parafin, công thức chung là: CnH2n+2 như: Propane (C3H8), Butane (C4H10), Pentane (C5H12)… Ngồi ra, LPG cịn có số chất Ethane (C2H6), Ethylen (C2H4), Butadiene (C4H4) chiếm tỷ lệ nhỏ 3.2.3 Xây dựng mơ hình động diesel AVL-BOOST Dựa kết cấu động thực tế, từ thành phần tử định nghĩa AVL-BOOST thông số kỹ thuật động cơ, xây dựng mơ hình động FAWDE- 4DX23-110 hình 3.2 Chức tên gọi phần tử mô hình mơ trình bày bảng 3.4 11 18 100 % diesel Diesel 15 CO (g/kw.h) diesel+10%LPG LPG_10 12 LPG_20 diesel+20%LPG 3 10 11 Các chế độ chu trình ECE R49 12 13 12 13 Hình 3.7 Phát thải CO chế độ mơ theo chu trình ECE R49 18 100 % diesel Diesel 15 NOX(g/kw.h) diesel+10%LPG LPG_10 12 LPG_20 diesel+20%LPG 3 10 11 Các chế độ chu trình ECE R49 Hình 3.8 Phát thải NOX chế độ mơ theo chu trình ECE R49 Kết mơ hình 3.8 cho thấy, hàm lượng NOX động diesel - LPG giảm, chế độ LPG thay 10% diesel mức giảm trung bình 3,427% chế độ LPG thay 20% diesel mức giảm trung bình 6,178% so với sử dụng 100% diesel Đối với thành phần phát thải bồ hóng, kết cho thấy sử dụng lưỡng nhiên liệu, hàm lượng bồ hóng giảm trung bình 16,76% chế độ LPG thay 10% diesel giảm trung bình 25,4% chế độ LPG thay 20% diesel 12 0,6 100 % diesel Diesel Soot (g/kw.h) 0,5 LPG_10 diesel+10%LPG 0,4 LPG_20 diesel+20%LPG 0,3 0,2 0,1 10 11 12 Các chế độ chu trình ECE R49 13 Hình 3.9 Phát thải bồ hóng chế độ mơ theo chu trình ECE R49 Bảng 3.8 Phát thải trung bình theo chu trình ECE R49 So sánh So sánh Diesel_20 (%) (%) Thành phần Đơn vị Diesel Diesel_10 CO g/kW.h 1,469 2,606 77,42 3,699 151,8 NOX g/kW.h 5,654 5,460 -3,427 5,305 -6,178 Bồ hóng g/kW.h 0,299 0,249 -16,76 0,223 -25,40 3.3 Khảo sát ảnh hưởng số thông số kết cấu đến lượng phát thải động diesel - LPG phương pháp mô 3.3.1 Ảnh hưởng góc phun sớm đến lượng phát thải động diesel - LPG Căn vào mơ hình động xây dựng, đề tài tiến hành thay đổi thời điểm phun nhiên liệu diesel xem xét ảnh hưởng đến thành phần phát thải chế độ LPG thay 20% diesel với 100%, tải tốc độ động 1800 v/ph Theo thông số động nguyên bản, thời điểm phun nhiên liệu vòi phun sớm 90, bắt đầu 3510 góc quay trục khuỷu Tiến hành thay đổi giá trị theo hai hướng, tăng giảm góc phun khảo sát ảnh hưởng đến phát thải động Kết phát thải hình 3.10 3.11 cho thấy, giảm góc phun 13 sớm NOX giảm, CO bồ hóng tăng Hiện tượng thời điểm nhiên liệu cháy mãnh liệt xylanh động bị đẩy lùi phía sau, piston xuống hành trình giãn nở, thể tích buồng cháy tăng dẫn đến nhiệt độ áp suất giảm, ảnh hưởng đến thành phần phát thải 6,3 2,36 NOX 6,1 2,33 CO 5,7 2,27 5,5 2,24 2,21 5,1 CO (g/KWh) 2,30 5,3 NOX (g/KWh) 5,9 2,18 347 348 349 707 708 709 350 351 710 711 352 713 712 353 354 355 714 715 Góc phun nhiên liệu (độ) Hình 3.10 Phát thải NOX CO 100% tải, tốc độ động 1800 v/ph theo góc phun sớm 0,25 n = 1600 v/ph 1800 v/ph n = 2800 v/ph Soot (g/KWh) 0,23 0,21 0,19 0,17 0,15 347 707 348 708 349 709 350 710 351 711 352 353 354 355 712 713 714 715 Góc phun nhiên liệu (độ) Hình 3.11 Phát thải bồ hóng 100% tải với tốc độ động theo góc phun sớm 3.3.2 Ảnh hưởng pha phân phối khí đến phát thải động diesel - LPG Để khảo sát ảnh hưởng pha phân phối khí đến lượng phát thải động cơ, tiến hành đồng thời thay đổi giá trị góc mở xu páp nạp xu páp thải theo hướng tăng góc mở sớm góc đóng muộn Các thành phần 14 khí thải thay đổi bảng 3.9 Bảng 3.9 Kết mô thành phần phát thải động diesel - LPG theo chu trình ECE R49 thay đổi góc phân phối khí Thành phần Đơn vị Nguyên thủy Giảm Tăng So sánh % độ độ CO g/kW.h 3,699 3,569 -3,515 4,313 16,61 NOx g/kW.h 5,305 5,246 -1,102 5,481 3,333 Bồ hóng g/kW.h 0,223 0,224 0,191 0,228 2,087 So sánh % Các kết cho thấy, điều chỉnh giảm góc phun sớm để giảm lượng phát thải CO NOx, nhiên, cần có nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm giải pháp phối hợp để hiệu giảm phát thải chất độc hại tốt 3.4 Kết luận chương III Ứng dụng phần mềm AVL-BOOST tính thành phần phát thải động FAWDE- 4DX23-110 có lắp thêm hệ thống phun LPG cho thấy: - Lượng NOx giảm, mức giảm chế độ LPG thay 10% diesel 3,427% chế độ LPG thay 20% diesel 6,178% so với sử dụng 100% diesel - Lượng CO động diesel - LPG tăng, chế độ LPG thay 10% diesel mức tăng 77,42% chế độ LPG thay 20% diesel mức tăng 151,8% so với sử dụng 100% diesel - Thành phần phát thải bồ hóng sử dụng lưỡng nhiên liệu giảm, chế độ LPG thay 10% diesel mức giảm 16,76% chế độ LPG thay 20% diesel 25,4% so với sử dụng 100% diesel Luận án khảo sát ảnh hưởng số thông số kết cấu đến phát thải động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Các kết cho thấy, điều chỉnh giảm góc phun sớm để giảm lượng phát thải CO NOx, nhiên, cần có nghiên cứu thực nghiệm nhằm tìm giải pháp phối hợp để phát thải bụi hạt không vượt giới hạn cho phép 15 Chương IV THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 4.1 Mục tiêu nội dung thử nghiệm 4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm - Đo xác thành phần khí thải động diesel nguyên thủy động diesel chuyển đổi để sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG - Đánh giá hiệu phát thải động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG - Đánh giá độ xác phương pháp tính tốn lý thuyết sở kết thử nghiệm 4.1.2 Nội dung thử nghiệm - Xác định lượng khí thải độc hại động diesel nguyên thủy theo chu trình ECE R49 - Xác định lượng khí thải độc hại động diesel - LPG theo chu trình ECE R49 - Đo thông số phục vụ việc đánh giá đặc tính làm việc động cơng suất, mơ men, độ khói động 4.2 Thiết bị thí nghiệm Các nội dung thử nghiệm đề tài tiến hành băng thử động lực học cao ETC01 phịng thử nghiệm khí thải động thuộc Trung tâm thử nghiệm khí thải phương tiện giao thông giới đường (NETC) - Cục Đăng kiểm Việt Nam 4.2.1 Sơ đồ thiết bị thí nghiệm Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm trình bày hình 4.2 Các phận thiết bị thử nghiệm gồm: - Phanh điện APA 404/6 PA - Thiết bị làm mát nước AVL 553 - Thiết bị làm mát dầu AVL 554 - Bộ điều khiển tay ga THA 100 - Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Mas Flow Meter - Hệ thống đo phát thải khí - Thiết bị đo phát thải dạng hạt (Particulate Sampler System - PSS i60) 16 - Thiết bị đo độ khói AVL 439 (Được trang bị sẵn phịng thí nghiệm) 4.3 Lựa chọn lắp đặt hệ thống cung cấp LPG vào động diesel thí nghiệm Căn vào ưu nhược điểm hệ thống cung cấp thêm LPG vào động cơ, đề tài chọn hệ thống cung cấp LPG vào động hãng WTV UK (Anh) sản xuất PUMA CÂN NHIÊN LIỆU AVL 735S FEM ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ NHIÊN LIỆU 573C LÀM MÁT DẦU BÔI TRƠN AVL554 P P C C BẢNG ĐIỀUKHIỂN ENCOMP400 CABLE BOOM ĐIỀU HÒA NHIỆT ĐỘ NƢỚC LÀM MÁT AVL 553C BỘ KÉO GA THA 100 PHANH ĐIỆN APA 404/6PA Động FAWDE Hình 4.2 Sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm LPG chứa bình chứa hình trụ thép dày 3mm, dung tích 12 lít Lưu lượng LPG cấp vào động điều chỉnh ban đầu van định lượng, van điều khiển núm xoay Trong trình làm việc, lượng LPG thay đổi phụ thuộc vào áp suất đường ống nạp động Các chi tiết hệ thống cung cấp LPG chọn có kết cấu đơn giản gọn nhẹ, bố trí dễ dàng vào khoang động mà khơng cần cải tạo lại kết cấu xe Sơ đồ bố trí cung cấp LPG vào động trình bày hình 4.12 Ống đến két nước; Dây đai; Quạt gió; Máy phát điện; Đường ống nạp; Đường óng dẫn LPG đến vịi phun; Hình 4.12 Sơ đồ bố trí cung cấp LPG hệ thống nhiên liệu động 15 Bình chứa LPG 14 Đường dẫn LPG; 13 Bàu lọc; 12 Đường dẫn nước nóng ra; Bộ hóa giảm áp; 10 Bơm cao áp; Đường ống nối với 11.Đường dẫn nước cảm biến áp suất nạp; nóng vào; Bầu lọc; 17 18 4.4 Quy trình thí nghiệm 4.4.1 Điều kiện thí nghiệm Để đảm bảo cho động hoạt động ổn định suốt trình thí nghiệm, trước lắp đặt, phải tiến hành kiểm tra bảo dưỡng tất phận động Băng thử kiểm tra tiến hành calib thiết bị trước thí nghiệm Nhiên liệu LPG diesel giám định Trung tâm kiểm định chất lượng – Đo lường, Công ty Xăng dầu Khu vực I 4.4.2 Thí nghiệm đo khí xả động diesel nguyên thủy * Chu trình thử nghiệm Đề tài chọn chế độ chạy theo chu trình thử ECE R49 để xác định lượng phát thải động thí nghiệm * Nội dung thí nghiệm: Quy trình thực nghiệm tiến hành theo bước sau: Bước Thí nghiệm đo cơng suất, mơ men động cơ: Bước Thí nghiệm đo độ khói Bước Nhập thơng số chu trình thử phần mềm điều khiển Bước Thí nghiệm đo khí xả động theo chu trình thiết lập Bước Cân khối lượng giấy lọc để xác định lượng phát thải PM 4.4.3 Thí nghiệm đo khí xả động lưỡng nhiên liệu diesel - LPG Bước Cho động chạy băng thử chế độ tốc độ tương ứng với mô men lớn 100% tải, quan sát mức nhiên liệu cấp cho chu trình hình điều khiển (hình 4.16) Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL Fuel Mas Flow Meter kết nối trực tiếp với hình cho biết lượng nhiên liệu cấp cho chu trình Bước Tiến hành điều chỉnh kéo để giảm lượng nhiên liệu diesel tiêu thụ xuống 90%, quan sát mức giảm nhiên liệu cấp cho chu trình hình điều khiển Bước Giữ nguyên lượng nhiên liệu diesel điều chỉnh lượng LPG phun vào đường ống nạp đến cơng suất động hiển thị hình với giá trị ban đầu chạy 100% diesel 19 Khi động làm việc ổn định, tiến hành bước thử nghiệm theo chu trình tương tự thử nghiệm động diesel Tiếp tục điều chỉnh giảm lượng diesel cung cấp xuống 80% tiến hành bước thí nghiệm Sau kết thúc trình chạy thử nghiệm, tiến hành tách lọc kết cân khối lượng bụi hạt tương tự thử nghiệm động nguyên thủy 4.5 Kết thử nghiệm đánh giá 4.5.1 Tiêu chuẩn EURO phát thải động diesel Trong thử nghiệm công nhận kiểu, nước ta áp dụng tiêu chuẩn Tiêu chuẩn EURO II Tiêu chuẩn EURO phát thải động diesel trình bày bảng 4.1 4.5.2 Kết đánh giá động thử nghiệm Kết hình 4.17 thể đặc tính ngồi động FAWDE4DX23 Dựa kết thí nghiệm cho thấy động đạt mô men cực đại 308,9 Nm tốc độ 2000 vg/ph công suất cực đại 82,03 kW tốc độ 2800 vg/ph Giá trị công suất mô men nhận từ thí nghiệm so với thơng số kỹ thuật nhà sản xuất sai lệch không nhiều 4.5.3 Đánh giá chất lượng phát thải động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG 4.5.3.1 Phát thải CO 18 100 % diesel Diesel 15 CO (g/kw.h) diesel+10%LPG LPG_10 12 LPG_20 diesel+20%LPG 3 10 11 Các chế độ chu trình ECE R49 Hình 4.19 Phát thải CO chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 12 13 20 4.5.3.2 Phát thải HC 100 % diesel Diesel HC (g/kw.h) diesel+10%LPG LPG_10 LPG_20 diesel+20%LPG 2 10 11 Các chế độ chu trình ECE R49 12 13 12 13 Hình 4.20 Phát thải HC chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 4.5.3.3 Phát thải NOX 18 16 100 % diesel Diesel NOX (g/kw.h) 14 diesel+10%LPG LPG_10 12 LPG_20 diesel+20%LPG 10 2 10 11 Các chế độ chu trình ECE R49 Hình 4.21 Phát thải NOX chế độ thử nghiệm theo chu trình ECE R49 Kết hình 4.19 4.20 thể phát thải CO HC động thử nghiệm sử dụng diesel nguyên thủy sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel- LPG Kết đồ thị cho thấy, phun LPG vào đường ống nạp động diesel phát thải HC CO tăng Giá trị CO trung bình chế độ có tỷ lệ LPG thay 20% diesel tăng gấp 21 lần so với giá trị CO sử dụng diesel nguyên thủy, HC tăng cao chế độ LPG thay 20% lên tới 335% Kết hình 4.21 cho thấy, sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG hàm lượng NOX giảm Ở chế độ LPG thay 10%, phát thải trung bình NOX thử nghiệm theo chế độ ECE R49 giảm 2,8 % Ở chế độ LPG thay 20%, phát thải trung bình NOX giảm 4,2 % 4.5.3.4 Độ khói Kết đo độ khói động diesel-LPG trình bày bảng 4.4 Bảng 4.4 Kết đo độ khói động diesel - LPG Độ khói 100% tải (1/m) Tốc độ động (v/ph) Diesel Diesel_10 So sánh (%) Diesel_20 So sánh (%) 1000 0,394 0,379 -3,8 0,370 -6,1 1200 0,207 0,197 -4,8 0,187 -9,7 1400 0,142 0,134 -5,6 0,125 -12,0 1600 0,086 0,080 -6,9 0,077 -10,0 1800 0,068 0,062 -8,8 0,058 -14,7 2000 0,081 0,074 -8,4 0,068 -16,0 2200 0,120 0,110 -8,2 0,101 -15,9 2400 0,182 0,160 -12,0 0,142 -22,0 2600 0,252 0,217 -13,9 0,186 -26,2 2800 0,342 0,280 -18,1 0,227 -33,6 Trung bình -9,1 -16,6 Độ khói giảm phun LPG vào, tỷ lệ cacbon so với hyđro LPG nhỏ so với diesel, tức khối lượng C nhiên liệu LPG thấp so với diesel nên giảm khả hình thành bồ hóng, dẫn đến độ khói động diesel-LPG giảm so với động diesel nguyên thủy 4.5.3.5 Phát thải trung bình Phát thải trung bình theo chu trình thử ECE R49 động thí 22 nghiệm thể bảng 4.5 Bảng 4.5 Phát thải trung bình động lưỡng nhiên liệu diesel-LPG Thành phần Đơn vị 100% Diesel Diesel_10 Diesel_20 CO g/kW.h 1,502 2,701 3,85 HC g/kW.h 0,179 0,45 0,78 NOX g/kW.h 5,853 5,685 5,61 PM g/kW.h 0,341 0,291 0,268 4.5.4 Đánh giá kết mô thực nghiệm 4.5.1.1 So sánh kết mô thực nghiệm động nguyên theo chu trình ECE R49 Bảng 4.7 Kết so sánh phát thải mô thực nghiệm động nguyên theo chu trình ECE R49 Thành phần Đơn vị Mô Thực nghiệm Sai lệch (%) CO g/kW.h 1,469 1,502 -2,21 NOX g/kW.h 5,654 5,853 -3,40 Bồ hóng/PM g/kW.h 0,299 0,341 -12,28 Bảng 4.7 thể kết phát thải động FAWDE- 4DX23-110 tính theo chu trình ECE R49 mơ thực nghiệm Kết cho thấy giá trị sai lệch mô thực nghiệm phát thải NOx CO không nhiều 4.5.4.2 So sánh kết mô thực nghiệm động diesel LPG theo chu trình ECE R49 Kết so sánh cho thấy, phát thải CO NOX tính theo chu trình ECE R49 mô thực nghiệm sai lệch không nhiều Giá trị sai lệch mô thực nghiệm phát thải CO chế độ LPG thay 10% diesel LPG thay 20% diesel 3,5% 3,9% Với NOx sai lệch mô thực nghiệm chế độ LPG thay 10% diesel 3,9% chế độ LPG thay 20% diesel 5,4% 23 Bảng 4.8 Kết so sánh phát thải mô thực nghiệm động diesel - LPG theo chu trình ECE R49 Chế độ Diesel_10 Chế độ Diesel_20 Thành phần Đơn vị Mô Thực nghiệm Sai lệch (%) CO g/kW.h 2,606 2,701 -3,5 3,699 3,850 -3,9 NOX g/kW.h 5,460 5,685 -3,9 5,305 5,610 -5,4 Bồ hóng/PM g/kW.h 0,249 0,291 -14,4 0,223 0,268 -16,7 Mô Thực Sai lệch nghiệm (%) Giá trị phát thải bồ hóng/PM mơ thực nghiệm chế độ LPG thay 10% diesel sai lệch 14,4%, chế độ LPG thay 20% diesel sai lệch lên tới 16,7% 4.6 Kết luận chương IV Luận án lựa chọn hệ thống cung cấp LPG phù hợp lắp đặt hệ thống vào động diesel FAWDE 4DX23-110 tiến hành thí nghiệm xác định thành phần khí thải động sử dụng diesel lưỡng nhiên liệu diesel-LPG hệ thống trang thiết bị thí nghiệm đại Các kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy: Khi phun LPG vào đường ống nạp động diesel thí nghiệm thì: - Độ khói giảm tất tốc độ làm việc động - CO HC tăng đạt tiêu chuẩn EURO II - Lượng giảm NOx 4,2 % LPG thay 20% diesel - Lượng giảm PM 21,4 % LPG thay 20% diesel Kết so sánh mô thực nghiệm sai khác không nhiều, điều cho thấy việc sử dụng phần mềm AVL-BOOST để tính tốn thành phần phát thải động diesel - LPG chấp nhận KẾT LUẬN CHUNG VÀ KIẾN NGHỊ I Kết luận chung Động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG hướng nghiên cứu nhà khoa học quan tâm Nhiều nước tiên tiến giới đầu tư tài chính, cơng sức cho nghiên cứu Ở Việt 24 Nam, ứng dụng LPG cho động đốt quan tâm nghiên cứu ngày nhiều, chưa chuyên sâu Các kết nghiên cứu dừng mức cho động chạy nhiên liệu LPG chưa quan tâm tới việc tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu, q trình cháy, hình thành chất nhiễm Đề tài nghiên cứu cách tổng quan trình cháy động diesel-LPG xác định thành phần khí thải phát tán vào mơi trường Đề tài xây dựng mơ hình tính tốn phát thải động diesel tăng áp FAWDE 4DX23-110 sử dụng nhiên liệu diesel lưỡng nhiên liệu diesel – LPG phần mềm AVL BOOST Kết so sánh mô thực nghiệm sai khác không nhiều, điều cho thấy việc sử dụng phần mềm AVL-BOOST để tính tốn thành phần phát thải động diesel - LPG giải pháp đắn Đề tài lựa chọn lắp đặt hoàn chỉnh cung cấp LPG lên động diesel tăng áp FAWDE 4DX23-110 để chuyển đổi động diesel thành động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Việc lắp đặt thêm hệ thống cung cấp LPG không làm thay đổi kết cấu động nguyên Kết thực nghiệm băng thử đồng khí thải đại hãng AVL (Áo) Trung tâm thử nghiệm khí thải quốc gia cho thấy: Khi LPG thay 20% diesel, Độ khói giảm tất tốc độ làm việc động cơ, CO HC tăng đạt tiêu chuẩn EURO II, lượng giảm NOx 4,2 %, lượng giảm PM 21,4 % II Kiến nghị Trên sở kết nghiên cứu, luận án có số kiến nghị sau: Ứng dụng phương án nghiên cứu để giảm khói bụi giải yêu cầu lượng thay cho động diesel lắp ô tô hoạt động đô thị lớn Sử dụng lọc khí thải dạng xy hóa để giải việc tăng CO HC động sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG Cần có thêm nghiên cứu nhằm tối ưu hóa tỷ lệ hịa trộn LPG động lưỡng nhiên liệu diesel-LPG DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Bài báo Cao Trọng Hiền, Vương Văn Sơn, Nghiên cứu đánh giá khả giảm phát thải NOX PM cho động hai nhiên liệu diesel-LPG, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, tháng 1/2013, tr 257-260 Cao Trọng Hiền, Vương Văn Sơn, Xác định phát thải bồ hóng cho động diesel động diesel-LPG thực nghiệm, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, tháng 6/2013, tr 72-76 Cao Trọng Hiền, Vương Văn Sơn, Xác định thành phần khí thải động lưỡng nhiên liệu diesel – LPG phần mềm AVL – BOOST, Tạp chí Giao thơng Vận tải, tháng 11/2013, tr 30-31 Cơng trình khoa học Vương Văn Sơn, Các thành phần khí thải tơ tác hại nó, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2009, Mã số T 2009-CK26, Đại học GTVT Vương Văn Sơn, Xây dựng phương pháp xác định thành phần khí thải tơ phần mềm AVL BOOST, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2011, Mã số DT1011.09, Đại học Công nghệ GTVT Vương Văn Sơn, Xây dựng phương pháp xác định mức độ nhiễm khơng khí phương tiện giao thông gây địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc, Hội nghị Sáng tạo kỹ thuật Tỉnh Vĩnh Phúc lần thứ 3, năm 2011 Vương Văn Sơn, Nghiên cứu xác định lượng phát thải độc hại động diesel lắp ô tô tải HYUNDAI 3,5 tấn, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2012, Mã số DT1112.18, Đại học Công nghệ GTVT Vương Văn Sơn, Tính tốn lượng khí thải độc hại động ô tô đề xuất biện pháp giảm thiểu, Hội nghị Sáng tạo kỹ thuật Tỉnh Vĩnh Phúc lần thứ 4, năm 2013 Vương Văn Sơn, Nghiên cứu ứng dụng phần mềm AVL BOOST để xây dựng mơ hình tính tốn mức phát thải động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel-LPG, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở năm 2013, Mã số DT1213.12, Đại học Công nghệ GTVT ... phát thải bồ hóng khí thải động diesel động diesel – LPG Chương III XÂY DỰNG MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN KHÍ THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL VÀ ĐỘNG CƠ DIESEL - LPG 3.1 Phần mềm AVL BOOST Căn vào. .. diesel nguyên thủy động diesel chuyển đổi để sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG - Đánh giá hiệu phát thải động diesel sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG - Đánh giá độ xác phương pháp tính... phần khí thải phát tán vào môi trường động ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel - LPG trở nên cấp thiết có ý nghĩa thực tiễn cao Mục đích nghiên cứu - Xác định hàm lượng thành phần khí thải lắp